- Cụng suất, mật độ cụng suất chựm laser - Hỡnh dỏng, kớch thước điểm hội tụ
- Gúc tới của chựm laser so với bề mặt chi tiết - Thời gian tỏc động của laser.
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
26
Nhiệt luyện bằng tia laser thƣờng tập trung chủ yếu vào cỏc vấn đề sau:
Khả năng nhiệt luyện của cỏc loại laser: Những đề cập đến ứng dụng laser CO2 để nhiệt luyện đều nhận xột laser CO2 khú hấp thụ đối với thộp nờn cần cú biện phỏp xử lớ bề mặt trước nhiệt luyện. Những laser rắn như Ruby, Nd:YAD và Nd: thuỷ tinh sử dụng thuận lợi hơn cho nhiệt luyện vỡ kim loại hấp thụ bức xạ tốt hơn, tuy nhiờn việc phõn bố nhiệt khụng cải thiện hơn so với laser CO2. Về phương diện này laser diot đặc biệt thớch hợp với nhiệt luyện vỡ khả năng phõn bố đều nhiệt lượng trờn bề mặt nhiệt luyện.
Hệ thống thiết bị và hệ quang học dựng trong nhiệt luyện bằng tia laser:
Mục tiờu là cải thiện phõn bố đều năng lượng trờn bề mặt nhiệt luyện. Cỏc nghiờn cứu đó tớch hợp hệ thống laser diot cao với thiết bị cơ sở để tạo ra hệ thống tụi bề mặt thộp, nhằm sử dụng cỏc đặc tớnh của diot laser (đa mode, mật độ spot đều) để nhiệt luyện cỏc dụng cụ lớn hoặc thộp tấm. Do năng lượng đầu ra của laser là khụng thật thớch hợp cho việc phõn bố đều trờn bề mặt nờn nhiều nghiờn cứu chỳ trọng đến thiết kế cải tiến hệ thống gương quang học tạo ra cỏc hệ thống gương tớch hợp hệ scanner cỏc gương phõn đoạn.
Ảnh hƣởng của cỏc tham số cụng nghệ tới chất lƣợng (độ cứng, chiều dày thấm tụi, tế vi) mẫu/ chi tiết nhiệt luyện: Vật liệu thớch hợp với nhiệt luyện bằng tia laser người ta thường dựng cơ sở nhiệt luyện truyền thống để thăm dũ cỏc vật liệu tương ứng cho nhiệt luyện bằng tia laser. Cỏc nghiờn cứu cho biết thộp carbon (cabon thấp, trung bỡnh và cao) đều thớch hợp với nhiệt luyện bằng tia laser, cỏc thộp hợp kim, thộp dụng cụ và thộp đỳc cũng phự hợp với nhiệt luyện bằng tia laser. Tuy nhiờn tuỳ theo mụi trường ứng dụng, đú cú thể là tụi bề mặt , thường hoỏ hay hoỏ học.
Cỏc phƣơng phỏp phõn tớch nhiệt: phỏt triển mụ hỡnh nhiệt và cỏc phương phỏp điều khiển nguồn nhiệt nhằm mục đớch cải thiện phõn bố nhiệt trờn bề mặt nhiệt luyện. Phỏt triển một mụ hỡnh tớnh toỏn để dự bỏo chiều sõu nhiệt, vựng nhiệt luyện thộp 1045 AISI. Từ phương trỡnh Fourie về truyền nhiệt được giải với phương phỏp sai phõn cú hạn trong hệ toạ độ trụ để nghiờn cứu sự phõn bố nhiệt sinh ra
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
27
trong chi tiết, từ đú tớnh được chiều sõu nhiệt luyện. Cỏc mụ phỏng lớ thuyết từ mụ hỡnh toỏn học được so sỏnh với thớ nghiệm làm với laser CO2, chế độ liờn tục thể hiện sự nhất thống hoàn toàn, sử dụng điều khiển PID, phỏt triển hệ thống giỏm sỏt thời gian thực nhiệt luyện vv…, tất cả với mục đớch đảm bảo nhiệt độ của “vết” và chựm tia trờn bề mặt nhiệt luyện luụn giữ khụng đổi ,mục đớch tạo được lớp chiều dầy nhiệt luyện đều.
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
28
CHƢƠNG 2
NHIỆT LUYỆN B ẰNG TIA LASER 2.1 Cỏc phƣơng phỏp nhiệt luyện bề mặt bằng laser
2.1.1 Nhiệt luyện bằng tia laser
Do đặc điểm truyền nhiệt (hỡnh 2.1), năng lượng tớch tụ I(z,t) giảm rất nhanh theo chiều sõu của vật chất được tương tỏc nờn tia laser được sử dụng chỉ để nhiệt luyện bề mặt. Mục đớch của nhiệt luyện bằng laser là tăng độ mài mũn, nhưng ngày nay cú thể tỡm thấy cỏc phương phỏp nhiệt luyện laser:
- Tăng độ cứng ( với transformation hardenning)
- tăng sức bền (với anealing) - Giảm ma sỏt (với laser glazing) - Giảm mài mũn
- Tăng bền mỏi (với Normalization) - Tạo carbit trờn bề mặt (với remelting)
2.1.2 Phõn loại:
Nhiệt luyện bề mặt bằng laser cú thể chia thành 3 nhúm chớnh:
Nung núng khụng chảy : gồm ủ (annealing), tụi (transformation hardenning), liờn quan đến chuyển đổi pha ở trạng thỏi rắn. Phần năng lượng được hấp thu bởi vật liệu được kiểm soỏt bởi khả năng hấp thụ của bề mặt vật liệu. Tớnh chất cơ hoỏ của vật liệu cú thể được tăng cường tốt khi chế độ nhiệt luyện hợp lớ.
Nhiệt luyện làm thay đổi luyện kim trờn bề mặt của khối vật liệu: bao gồm xử lớ trạng thỏi núng chảy, như cỏc phương phỏp l àm mịn lại hạt (grain refining), đỏnh búng bề mặt (glazing), đồng nhất bề mặt và tỏi nung chảy (remelting), yờu
C ườ ng đ ộ, I Hỡnh 2.1 : đồ thị năng lượng laser theo chiều sõu vật
chất ) z ( ẽp ) R 1 )( t ( I ) t , z ( I o
với: Io cường độ tia tới laser R : hệ số phản xạ
: hế số hấp thụ
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
29
cầu cú cỏc chu kỡ nung núng chảy và làm mỏt nhanh để làm thay đổi tớnh chất bề mặt và phương phỏp bốc hơi như làm cứng bằng va đập laser (laser schocking)
Hoỏ nhiệt luyện: thay đổi hoỏ học bề mặt bằng bổ sung một vật liệu mới. Sự thay đổi bề mặt thụng qua thấm (alloying) hoặc phủ bề mặt (clađing) khi bổ sung vật liệu khỏc lờn bề mặt để hỡnh thành lớp bề mặt (được thay đổi ) mới.
Một cỏch phõn chia khỏc, chỉ liờn quan đến việc được nung núng bởi laser , thay đổi tổ chức bề mặt ở giai đoạn nung núng của nhiệt luyện bằng tia laser được thể hiện ở hỡnh 2.2.
2.1.3 Cỏc phƣơng phỏp
Hiện nay việc sử dụng laser nhiệt luyện để làm cứng bề mặt bao gồm cỏc phương phỏp sau:
1. Tụi bề mặt (laser transformation hardening): sử dụng nguồn nhiệt của laser dưới nhiệt độ tới hạn AC3 để chuyển biến austenit thành mactenit, tổ chức cú độ cứng cao, chịu mài mũn tốt.
2. Núng chảy bề mặt (surface melting): phương phỏp sử dụng tia hội tụ hoặc gần hội tụ để làm núng chảy bề mặt (phủ bởi một lớp khớ trơ), để làm mịn và đồng nhất lại cấu trỳc đó kết tinh quỏ nhanh.
3. Hợp kim hoỏ bề mặt (surface alloying): phương phỏp pha vật liệu khỏc lờn bề NHIỆT LUYỆN BỀ MẶT BẰNG LASER
Đỏnh búng bề mặt (Glazing) Làm cứmg bể mặt (Hardfacing) Hợp kim hoỏ bề mặt(Alloying)
Tỏi núng chảy (remelting) Tụi bề mặt (transformation harderning) (ủ (annealing) Tụi va đập (shock) N Ă N G L Ư Ợ N G Bốc hơi (vaporisation ) Núng chảy (Melting) Nung núng (heating) Hỡnh 2.2: Phõn nhúm nhiệt luyện bề mặt bằng laser
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
30
mặt được làm núng chảy bởi laser, mục đớch để tăng cường tớnh chịu mũn hoặc tớnh mỹ thuật của bề mặt .
4. Phủ bề mặt (surface cladding): sử dụng laser phủ lớp bề mặt để tăng cường tớnh chất vật lý, tớnh mỹ thuật cũng như làm thay đổi tớnh chất nhiệt (điểm núng chảy) hoặc tớnh dẫn nhiệt của chi tiết.
5. Làm cứng bằng va đập (Schock hardening): Mật độ cực cao của chựm tia laser ở những khoảng dừng cực ngắn tạo nờn cỏc súng đập, truyền và phản xạ trong vật liệu chi tiết.
Hỡnh 2.3 thể hiện miền nhiệt (cường độ năng lượng- thời gian tương tỏc) của cỏc phương phỏp xử lớ bề mặt nờu trờn. Cú thể nhận xột cỏc quỏ trỡnh này nằm dọc theo thứ tự mật độ năng lượng từ thấp đến cao: tụi (heating, transformation hardening) cỏc quỏ trỡnh nung núng nhưng khụng làm chảy vật liệu bề mặt , đến cỏc quỏ trỡnh yờu cầu làm núng chảy bề mặt, yờu cầu năng lượng cao hơn để vượt qua liờn kết tinh trong
mạng như pha trộn bề mặt (alloying), phủ bể mặt (cladding). Nếu sử dụng nguồn cụng suất cao, xung ngắn sẽ cú sự đập mạnh bề mặt, cú thể tạo nờn sự tiờu mũn tức thỡ (bốc hơi- vaporisation) như trong làm sạch và tạo
nờn cỏc súng va đập động, xuất phỏt từ ứng xuất nhiệt bất ngờ tạo nờn độ cứng bề mặt với chiều sõu lớp cứng khỏ cao như ở trường hợp làm cứng bằng va đập (shock hardening). Hỡnh 2.3: Biểu đồ cường độ năng lượng- thời gian tương tỏc của laser với kim loại
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
31
2.1.4 Phõn tớch cỏc phƣơng phỏp nhiệt luyện bằng laser.
Tụi bề mặt (laser heat treatment- transformation harderning): tớnh năng cú thể đạt được độ cứng tương đương với cỏc phương phỏp tụi truyền thống như tụi bề mặt bằng dũng điện cảm ứng, ngọn lửa, hồ quang (TIG) và chựm điện tử nhưng cú những ưu thế hơn như:
Gần như khụng gõy ra biến dạng bề mặt (khụng cần gia cụng lại)
Cú thể nhiệt luyện bề mặt chọn lọc (trờn diện tớch yờu cầu với hỡnh học bất kỡ)
Khụng yờu cầu cụng đoạn làm mỏt (đơn giản hoỏ nguyờn cụng tụi), Khả năng tụi lớp rất nỏng
Cú thể kiểm soỏt được chiều sõu lớp thấm tụi, rất phự hợp với cụng tỏc sửa chữa
Khả năng tự động hoỏ cao
Tuy nhiờn cho đến nay tụi bề mặt bằng laser vẫn cũn một vấn đề rất được quan tõm nghiờn cứu đú là khả năng đồng nhất cấu trỳc lớp tụi. Vấn đề này được tập trung giải quyết ở khõu thiết bị (nguồn, hệ quang học) để cải thiện mật độ năng lượng nhiệt phõn bố đều trờn vết nhiệt luyờn.
Núng chảy bề mặt (surface melting / laser glazing)): phương phỏp sử dụng tia hội tụ hoặc gần hội tụ để làm núng chảy bề mặt (phủ bởi một lớp khớ trơ). Kỹ thuật của phương phỏp đảm bảo quỏ trỡnh cú đặc tớnh:
Điều tiết đề tốc độ kết tinh tạo mịn và đồng nhất cấu trỳc tế vi. Thấm nhiệt ớt, gõy biến dạng khụng đỏng kể
Khả năng thu được lớp bề mặt mịn, đồng đều dày đến 25m, biến dạng bề mặt ớt, yờu cầu gia cụng lại ớt
Quỏ trỡnh linh hoạt do khả năng điều khiển và tự động
Phương phỏp được sử dụng để làm mịn lại và làm đồng đều cầu trỳc lớp bề mặt đối với những chi tiết do nhiều lớ do cú cấu trỳc kết tinh đụng nhanh và cỏc bề mặt bị xự xỡ nhằm mục dớch tăng tớnh năng vật lớ của bề mặt. Tuy nhiờn phương phỏp này cho đến nay vẫn khụng được triển khai sử dụng rộng rói trong cụng nghiệp vỡ
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
32
trường hợp làm núng chảy thộp đỳc hoặc thộp dụng cụ, bề mặt cú sự biến dạng cần gia cụng lại. Hơn nữa đặc tớnh của phương phỏp tương tự như phương phỏp hợp kim hoỏ bề mặt nờn cú thể thay thế bằng phương phỏp hợp hoỏ bề mặt.
Hợp kim hoỏ (surface alloying): mục đớch để tăng cường tớnh chịu mũn hoặc tớnh mỹ thuật của bề mặt. Phương phỏp này cú những đặc điểm tương tự với phương phỏp làm núng chảy bề mặt với đặc biệt là phun một vật liệu hợp kim vào vựng núng chảy là thay đổi thành phần hoỏ học bề mặt. Sự thay đổi của thành phần bề mặt để đạt được cỏc tớnh chất theo yờu cầu, được tỏc động bằng cỏch đưa c ỏc phần tử hợp kim ở dạng khớ hoặc bột tạo nờn một lớp phủ. Quỏ trỡnh được thực hiện tạo nờn lớp phủ bề mặt cú đặc tớnh:
Vựng hợp kim hoỏ cú cấu trỳc tế vi mịn với hỗn hợp tương đối đồng nhất trong toàn bộ miền vật liệu núng chảy.
Nhiều vật liệu cú thể pha trộn được vào trong cỏc lớp nền. Tốc độ làm mỏt cao đảm bảo tối thiểu sự tỏch lớp. Một số hợp kim bề mặt chỉ cú thể thu được nếu được thực hiện với viờc làm mỏt bề mặt nhanh, vớ dụ Fe-Cr-C-Mn Chiều dày lớp hỗn hợp cú thể đạt từ 1m. tới 2000m. Cỏc vựng hợp kim
mỏng (làm mỏt nhanh) cú thể thực hiện được với laser Nd-YAG biến điệu phẩm chất.
Pha trộn hợp kim bề mặt bằng laser cú khả năng tạo nờn nhiều kiểu hợp kim bề mặt. Laser cho phộp đặt chớnh xỏc hợp kim, tạo lớp bỏm tốt,
Phủ bề mặt (surface cladding): Mục đớch của phương phỏp là phủ bề mặt một kim loại với kim loại khỏc, hỡnh thành một liờn kết chắc chắn giữa hai bề mặt khụng cú sự pha vật liệu phủ với vật liệu nền. Nếu cú sự pha vật liệu thỡ cú thể coi đú là sự nhiễm bẩn vật liệu phủ, làm giảm tớnh chất cơ hoặc tớnh bền mài mũn của vật liệu phủ. Trong phương phỏp này, năng lượng laser sẽ làm núng chảy một vật liệu theo định vị trước bằng cỏch thổi hoặc phun chỳng lờn một bề mặt hợp kim, tạo nờn một lớp bảo vệ hoặc một lớp cú sức bền mài mũn.
So với những phương phỏp phủ bề mặt khỏc như hàn,phun phủ, hồ quang phasma, lắng hơi hoỏ học (CVD), lắng hơi vật lớ (FVD), điện hoỏ, bọc kim loại
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
33
bằng cơ khớ thỡ phủ bề mặt bằng laser cú những lợi thế như nhiệt lượng yờu cầu khụng cao, cỏc lớp phủ mỏng, sự khếch tỏn và trạng thỏi xốp khụng đỏng kể, độ cứng cao, vựng ảnh hưởng nhiệt thấp. Tuy nhiờn nhược điểm của phương phỏp là đầu tư ban đầu lớn và tốc độ xử lớ khụng cao.
Phụ thuộc vào cỏch cấp vật liệu, phương phỏp phủ lại tiếp tục được phõn loại: phủ với bột kim loại đặt trước; phủ với bột kim loại được thổi; phun cỏc phần tử kim loại khỏc…
Làm cứng bằng va đập (Schock hardening): Năng lượng tuyệt cao của tia laser tại cỏc thời gian dừng (dwell time) ngắn làm bốc hơi 1 lớp mỏng ngay bề mặt vật liệu. Việc bốc hơi cỏc nguyờn tử bề mặt nhanh tạo nờn xỏc xung lực và. Khi bề mặt bị va đập bởi cỏc xung ngắn, mạnh (>1013
W/m2) của tia bức xạ điện từ, sẽ hỡnh thành quả búng plasma cú nhiệt lượng cực cao (gần 10.0000K), chặn đứng tia và gõy nờn độ gión nổ với ỏp lờn tới Gpa. Tỏc động này tương tự như bề mặt bị đập bởi một quả búng như những nhỏt bỳa mau nhịp tạo nờn độ cứng đỏng kể trong vật liệu. Chiều sõu của làm cứng bằng va đập bởi tia laser là khoảng tử 0,76-1,25mm, cú thể làm tăng bền mỏi của thộp, thộp đỳc, titan và hợp kim nhụm lờn từ 25% -500%. Kớch thước vết xử lớ bề mặt khoảng từ 6-12mmvới tốc độ xung khoảng 4Hz.
Phương phỏp này thường sử dụng nguồn laser Nd: thuỷ tinh, cú thể cấp 80- 100j/xung trờn khoảng kộo dài xung 20ns. ứng dụng của phương phỏp hiện đang được sử dụng cụng nghiệp hàng khụng (nhiệt luyện cỏc lỗ trong cấu trỳc của mỏy bay, cỏc thành phần của turbin khớ trong mỏy bay) trong thiết bị y tế, cỏc bỏnh răng đặc biệt, cỏc chi tiết của van...nhỡn chung đõy là phương phỏp tăng cứng hiệu quả nhưng rất đắt tiền.
2.2. Tụi bề mặt bằng tia laser
Tụi bề mặt bằng tia laser là phương phỏp nhiệt luyện khụng làm thay đổi thành phần cấu tạo của bề mặt chi tiết. Việc sử dụng năng lượng laser nung núng nhanh bề mặt tuyển chọn tới nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tới hạn A3 đối với thộp carbon <0,70%C và A1 đối với thộp cú lượng C>0,70%, kim loại khụng núng chảy, nhưng cú sự chuyển biến pha, tức tại nhiệt độ này, trờn bề mặt thộp đó hỡnh thành austenit.
Tụi bề mặt chi tiết bằng laser CO2
34
Khi laser đi qua, sự tiếp xỳc bề mặt với khụng khớ mụi trườ ng tạo nờn việc tự làm mỏt với tốc độ nhanh, đủ để chuyển austenit thành mactenit, cấu trỳc cú độ cứng cao, cú độ bền mài mũn tốt, trong khi những tớnh chất khỏc của vật liệu như dẻo dai vẫn giữ nguyờn khụng bị ản hưởng. Đõy là là phương phỏp cú tổ chức tế vi tương tự như phương phỏp tụi tự ram truyền thống, điểm khỏc biệt là quỏ trỡnh chuyển biến pha chỉ diễn ra ở lớp bề mặt, dầy khoảng 0,5 -1,5mm tuỳ theo cụng suất laser và thời gian tương tỏc laser với vật liệu.
So với cỏc phương phỏp nhiệt luyện truyền thống tụi bề mặt, nhiệt luyện bằng laser cú những ưu điểm hơn hẳn:
Tăng cường độ cứng, độ bền, cỏc tớnh chất bền mỏi và bền mài mũn
Đạt độ chớnh xỏc cao hơn, yờu cầu năng lượng thấp hơn vỡ vậy giảm được cỏc gia cụng sau nhiệt luyện
Rất linh hoạt do sử dụng phõn mềm để điều khiển nhiệt luyện,
Cú khả năng nhiệt luyện chi tiết to và hỡnh dạng hỡnh học bất kỡ, tạo mức linh hoạt trong thiết kế
Thõn thiện với mụi trường
So với cỏc phương phỏp nhiệt luyện bằng laser khỏc, tụi bề mặt bằng laser khụng yờu cầu năng lượng quỏ lớn, rất phự hợp với điều kiện phũng thớ nghiệm cú